CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 Lý do chọn ñề tài Kể từ khi ra ñời cho ñến nay, ñộng cơ ñốt trong sử dụng nhiên liệu Diesel ñã không ngừng cải tiến và chế tạo mới những bộ phận, hệ thống nhằm nâng cao hiệu suất, giảm tiêu hao nhiên liệu và ô nhiễm môi trường. Một trong những hệ thống có ảnh hưởng quyết ñịnh ñến các chỉ tiêu trên ñó là hệ thống nhiên liệu và cụ thể là quá trình phun nhiên liệu vào buồng cháy. Hiện nay, việc thực hiện những cải tiến trên ñộng cơ ñược tiến hành thuận lợi hơn, kết hợp nghiên cứu thực nghiệm với sự phát triển mạnh mẽ của lĩnh vực tính toán tối ưu trên ñộng cơ với sự hỗ trợ của máy tính. Việc áp dụng các phần mềm tính toán thiết kế, mô phỏng ngày càng chính xác giúp cho việc ñịnh hướng nghiên cứu phát triển ñộng cơ, rút ngắn ñáng kể thời gian, công sức cho các nhà nghiên cứu, thiết kế.
Ngành ñộng cơ ñốt trong của Việt Nam vẫn còn non trẻ với nòng cốt là Tổng công ty Máy ñộng lực và Máy nông nghiệp Việt Nam (VEAM). Trong các dòng sản phẩm lưu hành trên thị trường, ñộng cơ RV125-2 hiện ñang là dòng sản phẩm chủ lực của công ty, chiếm hơn 40% số lượng ñộng cơ SVEAM xuất ra thị trường. Với ưu ñiểm dựa trên bản quyền thiết kế của Kubota, với giá thành cạnh tranh, ñộng cơ ñược sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực nông nghiệp Việt Nam. Các ứng dụng chủ yếu của ñộng cơ có thể kể ñến như: máy phát ñiện, máy nén khí, nguồn ñộng lực cho ghe thuyền, máy chế biến, máy cày, máy xới, máy xay xát,… Bên cạnh các ưu ñiểm ñó, ñộng cơ cũng có khuyết ñiểm dựa trên bàn quyền ñã cũ (trên 20 năm), lượng tiêu hao nhiên liệu nhiều so với các sản phẩm cùng loại trên thị trường, và ñặc biệt là vấn ñề khí thải của ñộng cơ.
Tại Thí Nghiệm Trọng Điểm ĐHQG – Động Cơ Đốt Trong, một thử nghiệm về ñánh giá ñặc tính khí thải của ñộng cơ ñã ñược thực hiện trên băng thử công suất theo chu trình ISO8178-C1. Kết quả cho thấy lượng phát thải của ñộng cơ vẫn còn vượt xa so với tiêu chuẩn khí thải US TIER 2 [1]. Đây cũng là rào cản ñối với các thị trường xuất khẩu của ñộng cơ cũng như giảm sức cạnh tranh của ñộng cơ tại thị trường nội ñịa. Trang 1 Qua ñó có thể nhận thấy việc cải tiến ñặc tính công suất giảm lượng khí thải, tiêu hao nhiên liệu là một nhu cầu cấp thiết ñối với ñộng cơ Diesel 01 xylanh Vikyno RV125-2.
Các biện pháp kỹ thuật ñể cải tiến ñộng cơ có thể ñến như : Cải tiến chất lượng nhiên liệu ngay từ nguồn : sử dụng nhiên liệu diesel sạch, giảm lưu huỳnh trong nhiên liệu, sử dụng nhiên liệu thay thế. Biên pháp có tính khả thi nhưng phụ thuộc nhiều vào chính sách khuyến khích của nhà nước. Giảm khí thải ngay trên ñường ống xả : Biện pháp sử dụng các bộ lọc khí thải lắp trên ñường ống xả của ñộng cơ. Do giá thành hiện tại của các bộ lọc này còn cao, việc áp dụng trên ñộng cơ sẽ là tăng giá thành ñộng cơ lên rất nhiều và khó khả thi.
Cải tiến chất lượng quá trình cháy: ñây là biện pháp ngăn chặn lượng phát thải ngay tại nguồn phát sinh khí thải trong bên trong xylanh ñộng cơ. Các biện pháp có thể kể ñến như cải tiến hình dạng buồng cháy, cải tiến quá trình phun. Trong ñó, cải tiến quá trình phun, cụ thể là phun nhiều giai ñoạn là biện pháp khả thi cho ñộng cơ. Vì vậy việc nghiên cứu ảnh hưởng quá trình phun nhiều giai ñoạn nhằm làm cho hệ thống nhiên liệu hoạt ñộng tối ưu nhất luôn ñược sự quan tâm của các nhà nhiên cứu.2 Nghiên cứu tổng quan trong và ngoài nước Như chúng ta ñã biết, quá trình phun nhiên liệu trên ñộng cơ Diesel ñóng vai trò chính trong việc phát thải ra các chất gây ô nhiễm và tác ñộng lớn ñến suất tiêu hao nhiên liệu cũng như công suất của ñộng cơ.
Tùy thuộc vào phương thức phun nhiên liệu vào buồng ñốt có thể làm cho ô nhiễm trong khí xả và tiêu hao nhiên liệu khác nhau. Có nhiều công trình nghiên cứu ñã chứng minh và góp phần vào sự phát triển của hệ thống phun nhiên liệu trên ñộng cơ Diesel ngày nay ñể giảm thiểu ñáng kể các chất ñộc hại trong khí xả. Trang 2 Tại Việt Nam, các nghiên cứu tiêu biểu trên ñộng cơ Vikyno RV125 – 2 có thể kể ñến: - Trần Ngọc Chí, Lê Thắng,“Nghiên cứu, thiết kế cải tiến ñộng cơ RV125-2 theo hướng giảm phát thải bằng phương pháp mô phỏng”, Luận văn tốt nghiệp, tháng 1, 2014. - Hồ Duy Khánh, “Nghiên cứu mô phỏng xác ñịnh áp suất và thời ñiểm phun nhiên liệu hợp lý theo hướng tăng công suất và giảm phát thải ô nhiễm ñộng cơ diesel RV125-2”, Luận văn thạc sĩ, tháng 12, 2013.
- “Nghiên cứu mô phỏng ñặc tính ñộng cơ diesel RV125-2”, Huỳnh Thanh Công, Hội nghị khoa học công nghệ lần thứ 12, Trường Đại Học Bách Khoa – ĐHQG Tp. - “Nghiên cứu chuyển ñổi ñộng cơ diesel sang sử dụng nhiên liệu song song biogas-diesel”, Nguyễn Đình Hùng - Nguyễn Hữu Hường - Vũ Việt Thắng - Vương Như Long, Hội nghị khoa học công nghệ lần thứ 11, Trường Đại Học Bách Khoa – ĐHQG Tp. Hiện tại, tại Việt Nam có rất ít công trình nghiên cứu tập trung vào vấn ñề ứng dụng quá trình phun nhiên liệu nhiều giai ñoạn trên ñộng cơ Diesel máy nông nghiệp. Trong những năm gần ñây, các nghiên cứu ñã chỉ ra rằng phun nhiều giai ñoạn là một biện pháp hữu hiệu ñể giảm khí thải ở ñộng cơ Diesel.
Những nghiên cứu chính về ảnh hưởng của phun tách ñến quá trình cháy và các chất ô nhiễm trên ñộng cơ diesel như sau: Nehmer và Reitz [2] bằng thực nghiệm ñể xét ảnh hưởng của phun hai lần ñến bồ hóng và khí thải NOx trên ñộng cơ diesel. Họ thay ñổi lượng nhiên liệu phun ñầu tiên từ 10% ñến 75% của tổng số lượng nhiên liệu và thấy rằng phun tách ảnh hưởng ñến sự hình thành bồ hóng và NOx. Nhìn chung phương pháp của họ giảm ñược NOx, còn bồ hóng có tăng nhưng ko ñáng kể, thời gian cháy không kéo dài .Tow [3] tiếp tục nghiên cứu và kết luận rằng thời gian nghỉ giữa hai lần phun cũng Trang 3 quan trọng ñến việc kiểm soát khí thải. Trong thí nghiệm của mình ông ñưa ra khoảng nghỉ 2 lần phun là 10ºCA ở 1600v/p 75 % tải.
Jafarmadar và Zehni [4] nghiên cứu ảnh hưởng của phun tách ñến khí thải của ñộng cơ diesel bằng Computational Fluid Dynamics (CFD). Kết quả cho thấy 75% tổng số nhiên liệu phun lần thứ nhất và khoảng nghỉ giữa hai lần phun là 25º CA sẽ làm giảm tổng lượng khí thải NOx và bồ hóng. Shayler và cộng sự [5] sử dụng Kiva-III ñể nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ khối lượng và khoảng nghỉ của hai lần phun ñến NOx và bồ hóng. Kết luận số cho thấy khi thời gian nghỉ nhỏ bồ hóng giảm nhưng NOx tăng lên.
Ngoài ra, khi thời gian nghỉ lớn việc phun lần thứ hai có rất ít ảnh hưởng ñến bồ hóng phát sinh và bồ hóng bị oxy hóa. Bianchi và cộng sự [6] nghiên cứu khả năng của phun tách trong việc giảm NOx và bồ hóng ở ñộng cơ Diesel HSDI bằng CFD Kiva-III. Kết quả tính toán cho thấy rằng phun tách rất hiệu quả trong việc giảm NOx, trong khi việc giảm bồ hóng lại có liên quan ñến sử dụng tốt hơn của oxy có sẵn trong buồng ñốt. Seshasai Srinivasan và cộng sự [7] nghiên cứu ảnh hưởng của EGR và phun tách trên ñộng cơ Diesel tăng áp bằng thuật toán Adaptive Gradient-Based.
Các kết quả dự ñoán của mô hình cho thấy phù hợp với các dữ liệu thực nghiệm. Trường hợp tốt nhất cho thấy NOx và bồ hóng có thể giảm hơn 83%. Chryssakis và cộng sự [8] nghiên cứu ảnh hưởng của phun nhiều lần ñến quá trình ñốt cháy và lượng khí thải của ñộng cơ diesel bằng cách sử dụng KIVA III ña chiều. Kết quả chỉ ra rằng khi áp dụng phun mồi giảm hình thành bồ hóng và nồng ñộ NOx ñược duy trì ở mức thấp.
Verbiezen và cộng sự [9] nghiên cứu ảnh hưởng của thời ñiểm phun và phun tách ñến sự tập trung NOx trên ñộng cơ diesel thử nghiệm. Kết quả cho thấy thời ñiểm phun sớm làm NOx tăng. Và khi phun tách nhiệt sinh giảm làm cho NOx giảm ñáng kể.3 Mục tiêu ñề tài và ñối tượng nghiên cứu Mục tiêu ñề tài: nghiên cứu ảnh hưởng quá trình phun nhiều giai ñoạn ñến khí thải của ñộng cơ VIKYNO RV125-2 bằng phương pháp mô phỏng theo ñịnh hướng giảm ô nhiễm môi trường. - Xác ñịnh ñược lưu lượng phun ban ñầu hợp lý.
- Xác ñịnh ñược thời gian nghỉ giữa hai lần phun hợp lý. Đối tượng nghiên cứu là ñộng cơ Vikyno RV125-2.4 Nội dung và phạm vi nghiên cứu Nội dung nghiên cứu chính bao gồm: Nội dung 1: Nghiên cứu tổng quan về ñộng cơ Vikyno RV125-2 Nội dung 2: Nghiên cứu phần mềm mô phỏng và lý thuyết liên quan ñể mô hình hóa và mô phỏng ñộng cơ. Nội dung 3: Nghiên cứu ảnh hưởng lưu lượng phun ban ñầu ñến khí thải. Nội dung 4: Nghiên cứu ảnh hưởng thời gian nghỉ giữa hai lần phun ñến khí thải.
Nội dung 5: Phân tích ñánh giá kết quả ñạt ñược và bình luận. Phạm vi nghiên cứu là mô phỏng ảnh hưởng của các yếu tố ñầu vào tới ñộng cơ Vikyno RV125-2 bằng phần mềm KIVA-3V.5 Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: dựa trên các nguồn tài liệu chuyên ngành. - Phương pháp mô phỏng: sử dụng phần mềm KIVA3V mô phỏng quá trình phun. - Phương pháp tham khảo các ý kiến chuyên gia.
- Phương pháp tổng hợp số liệu.6 Ý nghĩa của ñề tài Ý nghĩa khoa học: Góp phần phân tích, ñánh giá ñặc tính ñộng cơ Vikyno RV125-2 và sự ảnh hưởng của các thông số ñầu vào ñến ñặc tính ñộng cơ. So sánh, ñánh giá giữa kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm, góp phần hoàn thiện ñộng cơ Vikyno RV125-2 bằng cách thay ñổi các thông số ñầu vào. Trang 5 Ý nghĩa thực tiễn: Làm cơ sở cho khả năng ứng dụng thực tế việc tối ưu hóa ñộng cơ Vikyno RV125-2 trên thị trường bằng cách áp dụng phun nhiều giai ñoạn. Trang 6 CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1Khái quát về các chất gây ô nhiễm trong khí thải ñộng cơ Diesel Quá trình cháy lí tưởng của hỗn hợp hydrocarbure với không khí chỉ sinh ra CO2, H2O và N2.
